槽道参数对倒V型槽道滑行艇阻力性能的影响

2018-05-02马晶晶姬朋辉

船舶 2018年2期

邹劲马晶晶姬朋辉康钊

（哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨 150001）

引言

随着科技发展日新月异，高性能船舶不断推陈出新。哈尔滨工程大学孙华伟［1］就滑行面形状对滑行艇阻力与航态的影响规律进行了研究；常亮［2］预报不同航速的滑行艇阻力，对不同的船型参数给出设计建议；大连海事大学范伟同［3］基于CFD理论，对粘性流场中滑行艇的水动力性能进行初步计算研究；哈尔滨工程大学苏玉民等人［4］为准确评估三体槽道滑行艇水动力性能，研究该船型阻力特性和船型特征；王庆旭等人［5］通过模型实验和CFD模拟等方法证明中高速阶段三体滑行艇相对于双体滑行艇的阻力和耐波性等优势。总之，双体滑行艇航行稳定性较好，但高速时相比单体滑行艇阻力较大，艇体喷溅严重；而三体滑行艇有优异的快速性、良好的稳定性、杰出的耐波和操纵性，但中低速阻力较大、结构复杂。本文结合双体和三体滑行艇优点提出全新艇型——倒V型槽道滑行艇，该艇具有航行阻力小、可见兴波小、波浪砰极小、纵向稳定性好等优点。针对槽道半径、槽道高度和槽道平直段宽度3个参数，进行增量研究利用CFD软件Star-ccm+分析该艇型水动力特性，研究出适合倒V型槽道艇的最佳设计方案。

1 倒V型槽道滑行艇介绍

如图1倒V型槽道滑行艇外形结构，其两个片体的滑行面为内倾式，槽道横剖面形状为椭圆形。

图1 倒V型槽道滑行艇

该艇型模型参数见表1。

如图2所示，将槽道的形状划分为：槽道半径、槽道高度和槽道平直段宽度3个参数，并对每个参数进行增量研究，以获得适合倒V型槽道艇的最佳设计方案。本文将原槽道参数下的模型表示为M0。为有效分析槽道参数对倒V型槽道艇阻力性能的影响，同时兼顾计算资源的限制，本文在半滑行状态取Fr▽=1.80（V=4 m/s）为代表，滑行状态取Fr▽=3.14（V=7 m/s）、Fr▽=4.49（V=10 m/s）为代表，超高速滑行状态取Fr▽=5.83（V=13 m/s）为代表。

表1 模型参数

图2 槽道参数的划分

2 数值计算方法

2.1 控制方程

对于不可压缩的粘性流动其连续性方程为：

动量方程为：

式中：ui和uj为速度分量时均值（i、j=1，2，3）；p为压力时均值；ρ为流体密度；μ为动力粘性系数；si为动量方程广义源项；ρuiuj为雷诺应力项；上划线“—”表示对物理量取时间平均。

2.2 湍流模型及VOF法

本文的CFD模拟方案选择SSTk-ω湍流模型，这种湍流模型把工程中标准k-ε湍流模型和标准k-ω湍流模型的优点集于一身，能在精确反映实际流动状态的同时又兼具良好的计算稳定性和收敛性。

VOF法是船舶领域中求解自由表面问题常用的主流方法。处理自由表面问题实际上就是追踪空气和水两种介质的运动界面，在船舶领域以VOF法最为常用［6-7］，该方法可以解决两相交界面的稳态和瞬态等问题。

3 计算模型设置

倒V型槽道滑行艇作为一种新型滑行艇，其研究资料匮乏，综合考虑选择艇型外形和水动力作用原理相似的三体滑行艇作为本论文CFD验证的模型，以最大程度保证CFD计算方案的有效性。试验所用的三体滑行艇模型如图3所示。船模总长2.5 m、宽0.87 m、型深0.31 m，重心位置在0.75 m、0 m、0.22 m处，排水量130 kg。

图3 船模三维模型

3.1 计算域

由于滑行艇的对称性，为提高计算效率节省计算资源，本文采用单侧模型计算。其流体域为一长方体，考虑到艇体周围和自由面附近网格尺寸对计算精度的影响，在这两处设置加密区以精确捕捉自由液面和艇体周围的流场细节。流场域设置见图4，计算域范围由船首向前延伸1倍船长；流场向后延伸3倍船长，垂直方向上由滑行艇基线向下延伸2倍船长，向上延伸1倍船长，计算域左侧距离滑行艇左舷1.5倍船长，滑行艇中纵剖面所在的计算域一侧为对称面，入口处边界条件为速度入口，出口处边界条件为压力出口，周向边界为速度入口。

图4 流场域及边界条件的设置

3.2 网格划分

本文的网格划分采用的是切割体网格。两个加密区的网格尺寸设置见图5。船体周围加密区采用各向同性加密原则，网格大小设置为6‰L；自由液面附近加密区采用各向异性加密原则，设置网格尺寸在x、y方向为20‰L，在z方向上为10‰L。

图5 网格划分

4 数值模拟计算及结果分析

4.1 槽道内水气作用机理

为更直观分析槽道内水流、气流的分布情况，本文提取了距艇体尾板0.1 m处的横剖面（见图6）。低速时，整个槽道的绝大部分被水（红色）浸没，仅有槽道顶部覆盖一层薄薄的空气层（蓝色）。在进入滑行状态后，槽道内的兴波直接打到槽道顶部，槽道内空气所占的比重不断增加。在进入超高速滑行阶段后，在槽道和兴波之间形成明显的空气层。

图6 槽道内水汽分布图

4.2 槽道半径参数对艇体阻力性能的影响

本节对不同槽道半径进行三维建模并进行水动力计算，对比分析不同的槽道半径对倒V型槽道滑行艇阻力性能的影响以及槽道水动力性能的改变。在改变槽道半径参数的同时保持其他几何参数不变，分别将槽道半径减小和增大M0的10 mm（12.5%），即槽道半径分别为70 mm和90 mm，如图7相应的模型为MR1和MR2。

图7 槽道半径改变后的横剖面对比图

4.2.1 槽道半径参数对艇体阻力和姿态的影响

阻升比曲线见图8。可见，改变槽道的半径对艇体的阻力影响非常明显，模型在各速度段的阻力值层次分明，各阻升比曲线之间不存在交点。就3个模型相比而言，MR2的阻力性能最为优良，其在超高速滑行阶段的减阻效果也最明显，相比M0阻力值减小4%；MR1的阻力性能最差，且随着航速提高其阻力的增幅逐渐变大，在Fr▽=4.49时其增幅已达到9%。另一个不可忽视的方面是该模型在超高速的计算中呈现典型的海豚运动，这就说明槽道半径的减小使倒V型滑行艇在高速滑行阶段的运动稳定性变差了。

图8 阻升比曲线

各模型除在低速过渡航行时吃水值稍有差别，在进入到滑行阶段后吃水值几乎完全相同，这说明槽道半径的改变对倒V型槽道艇吃水的影响并不明显（见下页表2）。对于倾角，槽道半径对其的影响与对阻力的影响趋势相同，在全速度段内，倾角值M0＞MR2，在模型MR1的可稳定计算速度范围内，艇体倾角均大于M0。

4.2.2 槽道半径参数对槽道水动力性能的影响

由于只改变对槽道的半径参数，艇体主尺度并没有发生变化，因此艇体2个倒V型片体在槽道内引起的兴波总能量不变。增大槽道半径使槽道横向空间相应增大，减轻了槽道内水流的挤压程度，降低了兴波和喷溅高度。由图6和图9可见，3个模型的槽道内气液分布在进入滑行阶段以后出现明显差异：MR2槽道内兴波的高度和宽度是3个模型中最小的，其槽道也是最先被气流贯通即槽道顶最先和兴波波面脱离，减小了相同航速下槽道内的湿表面积；MR1槽道内的兴波在3个模型中最为明显，其兴波波面与槽道顶接触形成较为明显的平直段，兴波波面直到艇体进入超高速滑行阶段才与槽道顶脱离。

表2 各模型阻力、倾角和吃水

图9 模型MR1、MR2槽道气液分布图

通过计算和分析，倒V型槽道艇的槽道半径应适当大一些，即：槽道形状较为圆滑，使槽道各部分之间有较平缓的过渡。在槽道顶层空气提供一定的垂向升力。这样，不仅槽道拥有较好的水动力性能。由于浸湿面积减少，全艇的阻力性能也较好，并且还可以提高艇体超高速航行时的纵向稳定性。

4.3 槽道高度参数对艇体阻力性能的影响

本节将对槽道的另一个重要参数槽道高度继续进行论述分析。同样只改变槽道高度参数，分别减小和增大M0的15 mm（10%），即槽道高度分别为135 mm和165 mm，相应的模型为MH1和MH2（参见图10）。

图10 槽道高度变化后的横剖面图

4.3.1 槽道高度参数对阻力和姿态的影响

图11为阻升比曲线。

图11 阻升比曲线

由图11可知，槽道高度对倒V型槽道艇阻力的影响主要体现在滑行阶段以后。在低速阶段，三者的阻力非常接近，且阻升比曲线在此阶段还有交叉。从阻力值大小的角度来讲，在低速时，槽道高度对倒V型滑行艇的影响较小且不明确。在倒V型滑行艇进入高速滑行以后，槽道高度对阻力性能的影响开始愈加明显。当Fr▽=4.49时，MH1相比于M0的减阻效果为2.2%；而当航速提升到Fr▽=5.83时，其减阻效果增加到4.6%。同样，对于MH2，当Fr▽=4.49时，相比于M0阻力增加了2.1%；但当Fr▽=5.83时，其阻力增加约6%。

由表3可知，3个模型的吃水值相差不大，除MH1的吃水稍小外，M0和MH2的吃水在高速航行时完全相同。这说明槽道高度的改变对艇体吃水的影响可忽略不计。槽道高度参数对纵倾的影响和对阻力的影响类似，均是在高速阶段开始出现明显影响。低速时，3个模型的倾角差值非常小；进入高速滑行后，MH1的倾角在3个模型中最小，相比于M0，其倾角约减小5.7%，而M0和MH2两者的纵倾相差无几。

表3 各模型阻力、倾角和吃水

4.3.2 槽道高度参数对槽道水动力性能的影响

同样，由于仅对槽道的高度作了些改变，而艇体主尺度并没有发生变化，因此两片体在槽道内引起的兴波的总能量未变，槽道高度的变化必然会引起槽道壁面对兴波能量的吸收效率，下面将对此影响作些解释。

槽道高度的改变主要是指槽道平直段在垂向位置的改变，即槽道空间在垂向的改变。图12为不同速度下的槽道水汽分布云图。

图12 不同速度下的槽道内水汽分布云图

由图12可知：3个模型在中低速段，槽道内的绝大部分被水浸没，兴波波面均直达槽道顶，此时槽道内的水汽分布并未见明显差异；随着航速的进一步提高，3个模型中的MH1的槽道最先被气流贯通，兴波波面最先与槽道顶脱离，槽道与水接触的湿表面积成为3个模型中最小的；因此阻力值也最小，而MH2由于槽道自身表面积较大，兴波在槽道壁上会形成较大的湿表面，因此阻力性较差。

通过本节的计算和分析可获知：降低槽道高度使槽道的工作段变长，槽道的垂向升力增加，改善了倒V型槽道艇的阻力性能；与此相反，增大槽道高度则使艇体的阻力性能变差。

4.4 槽道宽度参数对艇体阻力性能的影响

槽道宽度是指槽道顶部平直段的宽度。只改变槽道宽度参数，分别减小和增大M0的5 mm（16.7%），即槽道宽度分别为25 mm和35 mm，相应的模型为MB1和MB2。槽道宽度变化后的横剖面图见图13。

图13 槽道宽度变化后是横剖面图

4.4.1 槽道宽度参数对艇体阻力和姿态的影响

图14为阻升比曲线。由该图可知，槽道宽度对艇体阻力的影响也是在滑行阶段和超高速滑行阶段。当Fr▽≤3.14时，3个模型的阻力值相差很小，故在此速度段槽道宽度的大小对艇体阻力的影响均可忽略不计。在滑行阶段，阻力值的大小顺序为：RMB2＞RMB1＞RM0，说明在此阶段增大或减小槽道宽度，对艇体的阻力性能显然都是不利的。

图14 阻升比曲线

在进入超高速滑行阶段后，MB1的阻力值成为3个模型中最大值，MB2的阻力值反而成为阻力性能最好的模型。需要指出的是，MB1在超高速计算中出现轻微的高频振荡现象，说明减小槽道平直段的宽度会降低艇体的纵向稳定性。

各模型的阻力、倾角和吃水见表4。

表4 各模型阻力、倾角和吃水

由表4可知，3个模型的吃水随着速度的增加差值逐渐增大。在Fr▽=4.49处，最大差值为5.5%；而在Fr▽=5.83处，最大差值为7.4%。对于艇体纵倾的影响：低速时，3个模型的倾角并无明显差别；进入滑行阶段以后，MB1随着航速而增大，其倾角成为3个模型中最小的，而M0和MB2的倾角几乎完全相同。

4.4.2 槽道宽度参数对槽道水动力性能的影响

槽道宽度的改变是指槽道顶部平直段宽度的改变，其在横向改变槽道的内部空间。对比图6和下页图15：在中低速时，虽然3个槽道内的水汽分布形态有所不同（例如：MB1槽道内兴波波面不仅完全覆盖槽道顶部，而且沿着槽道壁面流向片体一侧，而MB2兴波波面则仅覆盖槽道顶部），但三者槽道内的湿表面积相差无，因此阻力值非常相近；随着航速的提高，三者槽道内的水汽分布形态趋于相同，槽道兴波波面开始与槽道顶脱离，波面与槽道壁面的接触面积开始缓减，但由于MB2的槽道湿表面积最大，因此其阻力最大；当滑行艇进入到超高速滑行阶段时，M0和MB2槽道已经被气流贯通，在水面和槽道之间形成稳定的气层，而MB1由于槽道空间狭小，槽道兴波还有部分直达槽道顶部增加湿表面积（即增加了阻力）。

图15 不同速度下的槽道内水汽分布云图

通过本节的计算和分析可知：槽道宽度变窄，其所受水汽动升力减小，不仅使艇体的阻力性能变差而且也降低在超高速阶段艇体的纵向稳定性，即为不利变化；而槽道变宽，其所受水汽动升力变大，可降低超高速段阻力值。这意味着设计航速在超高速段的倒V型槽道滑行艇，应适当增加槽道的宽度，既可提高阻力性能，还可增加甲板面积，便于设备布置。